[发明专利]确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法

说明书

技术领域

本发明涉及射频通信技术中集成电路平面螺旋电感的分析与应用，具体涉及一种确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法。

背景技术

平面螺旋电感是射频无线通信系统中重要的无源器件，广泛应用于射频前端各个模块，如射频预选回路、低噪声放大器(LNA)、压控振荡器(VCO)以及LC回路等模块。设计射频芯片时采用多层布线实现可集成平面螺旋电感，不仅可以减小芯片面积，实现单片射频集成电路(RFIC)，而且能降低电路的功耗和噪声，从而提高电路性能。

巨大的市场需求推动了无线通信技术的迅速发展，SOC技术日新月异，可集成平面螺旋电感的射频性能及应用成为国内外研究热点。由于平面螺旋电感的射频电感值不仅与复杂的结构参数、工艺参数有关，而且取决于高频时的各种寄生效应，因而很难简单地由结构参数直接获得，而要获得实用的工作点频段对应的射频电感值就更加困难。

在人们将大量精力投入于提高电感品质因数Q值，建立精确的RLC模型时，对于精确分析电感值的方法研究却进展缓慢。1974年Greenhouse提出了一种精确的电感值计算方法，但计算方法本身较繁琐且效率低，受限于当时的制备技术，该算法适用于较大尺寸电感，工作频率为几十至几百MHz。1999年斯坦福大学提出了Wheeler公式、电流近似公式和数值拟和公式来分析平面螺旋电感，三种算法虽然简便高效，但只适用于分析金属线宽及间距为常数、形状规则的平面螺旋电感，并且该算法只考虑了电感的结构参数，忽略了一些实际工艺参数(如金属膜厚、芯片面积等)的影响。2002年Snezana Jenei提出了电感值的整体平均算法，该算法简洁、高效、精确，但也只能适用于分析金属线宽及间距为常数且形状规则的平面螺旋电感。2005年华东师范大学提出了分圈迭代算法，该算法的最大特点是可用于分析金属线宽及间距变化的平面螺旋电感。但是上述分析技术都有一个共同的不足之处：只能用于计算低频电感值，无法获得射频频段的电感值。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种能够快速、准确获得平面螺旋电感射频频段电感值的方法，以弥补现有技术的缺失。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，所述电感具有一自谐振荡频率f_r，所述方法包括下列步骤：

确定平面螺旋电感的低频电感值L₀；

获取品质因数最大值所对应的电感工作频率f_qmax；

根据电感的衬底类型确定与制备电感衬底相关的系数β；

将低频电感值L₀乘以一个系数的β次方以得到射频频段的电感值，该系数是f_qmax与f_r的比值与1的和，

其中，与制备电感衬底相关的系数β是通过对同一种衬底类型、不同结构的平面螺旋电感进行模拟及测试，获取多组上述参数值，并根据这些参数值的上述关系进行拟合而获得。

进一步地，系数β是一个小于1的正数。

进一步地，所述的低频电感值L₀采用Greenhouse算法、S.Jenei算法或者分圈迭代算法确定。

进一步地，所述的与制备电感衬底相关的系数β根据不同的衬底类型确定如下：低阻硅对应的β值为0.10±0.03；高阻硅对应的β值为0.20±0.02；SOI衬底对应的β值为0.25±0.05；砷化镓对应的β值为0.35±0.05；石英衬底对应的β值为0.40±0.03。

其中，上述的低阻硅是指电阻率为5～20Ω·cm的硅衬底材料；所述的高阻硅是指电阻率大于等于1000Ω·cm的硅衬底材料；所述的SOI衬底是指埋层氧化硅厚度为0.1μm，顶层硅厚度为0.3μm，硅电阻率为1000Ω·cm的硅衬底材料。

本发明的确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，通过设定合理的β值，并根据电感的基本结构参数与β值的关系，可以方便准确地确定射频频段的电感值，填补了现有技术的空白。由于对应同一种衬底材料，其β值是固定的，因此，在采用本发明的方法确定射频电感值时，完成低频电感值L₀的计算之后，其余步骤不会受到电感版图参数及工艺参数的影响，如此可降低片上无源电感的设计难度。

具体实施方式

以下将对本发明的确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法作进一步的详细描述。